Les chimistes de l'Université Rice ont produit un catalyseur à base de graphène induit par laser qui divise l'eau en hydrogène d'un côté et en oxygène de l'autre. Ils ont déclaré que le matériau peu coûteux pourrait être un élément pratique pour générer de l'hydrogène destiné à être utilisé dans les futures piles à combustible.

Le matériau facile à fabriquer développé par le laboratoire Rice du chimiste James Tour offre un moyen robuste et efficace de stocker l'énergie chimique. Les tests ont montré que le catalyseur mince produisait simultanément de grosses bulles d'oxygène et d'hydrogène de chaque côté.

Le procédé fait l'objet d'un article dans l'American Chemical Society's Matériaux appliqués et interfaces .

« L'hydrogène est actuellement produit en convertissant le gaz naturel en un mélange de dioxyde de carbone et d'hydrogène gazeux, " dit Tour. " Donc pour deux molécules d'hydrogène, une molécule de dioxyde de carbone se forme, faisant de ce procédé traditionnel un émetteur de gaz à effet de serre.

"Mais si l'on divise l'eau en hydrogène et oxygène, utilisant un système catalytique et de l'électricité produite à partir de l'énergie éolienne ou solaire, alors l'hydrogène fourni est entièrement renouvelable, " dit-il. " Autrefois utilisé dans une pile à combustible, il retourne à l'eau sans aucune autre émission. Et les piles à combustible sont souvent deux fois plus efficaces que les moteurs à combustion interne, encore plus d'économie d'énergie."

Le catalyseur est une autre utilisation du graphène induit par laser polyvalent (LIG), que Rice a introduit en 2014. LIG est produit en traitant la surface d'une feuille de polyimide, un plastique pas cher, avec un laser. Plutôt qu'une feuille plate d'atomes de carbone hexagonaux, LIG est une mousse de feuilles de graphène avec un bord attaché à la surface sous-jacente et des bords chimiquement actifs exposés à l'air.

LIG lui-même est inerte, donc le transformer en un séparateur d'eau implique quelques étapes supplémentaires. D'abord, le laboratoire a imprégné la face du plastique destinée à extraire l'hydrogène de l'eau de particules de platine; puis le laboratoire a utilisé un laser pour chauffer la surface et fabriquer du LIG. Le matériau Rice utilise seulement un quart du platine trouvé dans les catalyseurs commerciaux, dit Jibo Zhang, un étudiant diplômé de Rice et auteur principal de l'article.

L'autre côté, pour le dégagement d'oxygène, a d'abord été transformé en LIG, puis amélioré avec du nickel et du fer par dépôt électrochimique. Les deux côtés ont montré de faibles potentiels d'apparition (la tension nécessaire pour démarrer une réaction) et de solides performances sur 1, 000 cycles.

Le laboratoire a proposé une autre variante :transformer le polyimide en un catalyseur LIG avec du cobalt et du phosphore qui pourrait remplacer les côtés platine ou nickel-fer pour produire de l'hydrogène ou de l'oxygène. Alors que le matériau à faible coût profite de l'élimination des métaux nobles coûteux, il sacrifie une certaine efficacité dans la production d'hydrogène, Tour dit.

Lorsqu'il est configuré avec du cobalt-phosphore pour le dégagement d'hydrogène et du nickel-fer pour l'oxygène, le catalyseur a délivré une densité de courant de 10 milliampères par centimètre carré à 1,66 volts. Elle pourrait être portée à 400 milliampères par centimètre carré à 1,9 volts sans dégrader le matériau. La densité de courant régit la vitesse de la réaction chimique.

Tour a déclaré que le LIG amélioré offre des performances de séparation de l'eau comparables et souvent meilleures que de nombreux systèmes actuels, avec un avantage dans son séparateur inhérent entre les produits d'oxygène et d'hydrogène. Il a noté qu'il peut trouver une grande valeur comme moyen de stocker chimiquement l'énergie des centrales solaires ou éoliennes éloignées qui seraient autrement perdues dans la transmission.

Le matériau pourrait également servir de base à des plates-formes d'électrocatalyse efficaces pour la réduction du dioxyde de carbone ou de l'oxygène, il a dit.